Mechanistic insight into the Fe-atom-pairs for breaking the scaling relation in ORR

部分 催化作用 吸附 化学 选择性 离解(化学) 催化循环 密度泛函理论 Atom(片上系统) 解吸 组合化学 纳米技术 计算化学 物理化学 材料科学 立体化学 有机化学 嵌入式系统 计算机科学
作者
Rongrong Liu,Ranxiao Tang,Jizheng Feng,Tao Meng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:470: 144261-144261 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144261
摘要

Dual-atom catalysts (DACs) show great potential for efficiently regulating multiple reaction pathways and well understanding of the fundamental mechanisms, therefore are expected to break the limitations of single-atom catalysts (SACs) in heterogeneous catalysis. Herein, Fe-DAs/NC with Fe2-N6 moieties was successfully synthesized by pyrolysis of nano-confined Fe-ZIF-8, and further employed as alkaline oxygen reduction reaction (ORR) catalyst. We propose that the two adjacent Fe atoms of Fe2-N6 moiety in Fe-DAs/NC can cooperatively bond the O2 molecule via a dual-side adsorption to boost the initial O2 adsorption and O-O dissociation, meanwhile the individual Fe atom in Fe2-N6 moiety with decreased d-band center can further break the energy barrier limit for efficient desorption of the final OH* intermediate. Due to the synergistic effect of Fe2-N6 moiety, the ORR performances of Fe-DAs/NC were fully improved compared to the single-atom Fe-N4 catalyst. Specifically, Fe-DAs/NC displays a large half-wave potential of 0.93 V, fast kinetics, high selectivity, and robust stability. And, Fe-DAs/NC-based Zn-air battery shows superior specific capacity, power density, and cycle stability than the commercial Pt/C. Our findings pave the way for rational design of atomically dispersed catalysts and afford an intensive understanding of the relationship between the structure and catalytic mechanism at the atomic scale.
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